雙核高速六輪全數(shù)字導(dǎo)航伺服控制器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微型迷宮導(dǎo)航機(jī)器人領(lǐng)域，尤其涉及一種雙核高速六輪全數(shù)字導(dǎo)航伺服控制器及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微電腦鼠是使用嵌入式微控制器、傳感器和機(jī)電運(yùn)動部件構(gòu)成的一種智能行走機(jī)器人，在國外已經(jīng)競賽了將近30年，其常采用兩輪結(jié)構(gòu)，兩輪微電腦鼠二維結(jié)構(gòu)如圖1所不O
[0003]微電腦鼠可以在不同“迷宮”中自動記憶和選擇路徑，采用相應(yīng)的算法，快速地到達(dá)所設(shè)定的目的地。其求解的迷宮之一示意如圖2所示。
[0004]隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，國外專家在微電腦鼠求解迷宮的技術(shù)基礎(chǔ)之上提出了一種更具有挑戰(zhàn)性的迷宮機(jī)器人一微微鼠:為了增強(qiáng)迷宮復(fù)雜程度以及老鼠求解迷宮的難度，迷宮擋墻由原有的180mm變成了 90mm，原有的迷宮由16*16格變成了 32*32格，新的迷宮二維結(jié)構(gòu)如圖3所示。電源一旦打開，微微鼠全程完全依靠自身攜帶的傳感器自動導(dǎo)航，并求解由1024個迷宮格組成的各種復(fù)雜迷宮，能夠快速從起點(diǎn)找到一條到達(dá)設(shè)定目標(biāo)點(diǎn)的最佳路徑，然后以最快的速度沖刺到終點(diǎn)。作為一種自助導(dǎo)航智能機(jī)器人，因?yàn)橥ㄟ^無線裝置可以向控制器輸入迷宮信息，微微鼠或者微電腦鼠國際準(zhǔn)則拒絕使用無線裝置，為了能夠得到微微鼠或者是微電腦鼠探索、沖刺后的信息，只能通過算法快速寄存并儲存其導(dǎo)航信息，當(dāng)完成任務(wù)后通過控制器的232串口或者是USB串口讀取存儲信息。
[0005]微微鼠在迷宮中導(dǎo)航過程中要時刻判斷周圍的環(huán)境，然后傳輸參數(shù)到控制器，由控制器反復(fù)控制其在迷宮方格中精確的加速和減速進(jìn)行運(yùn)動。一只優(yōu)秀的微微鼠必須具備良好的感知能力，有良好的行走能力，優(yōu)秀的智能算法，否則將無法完成任務(wù)。微微鼠技術(shù)綜合了多學(xué)科知識，對于提升在校學(xué)生的動手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)生課堂知識的消化和擴(kuò)展學(xué)生的知識面都非常有幫助，并且微微鼠走迷宮技術(shù)的開展可以培養(yǎng)大批相關(guān)領(lǐng)域的人才，進(jìn)而促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
[0006]如果認(rèn)為微微鼠只是微電腦鼠的簡單拷貝，按照微電腦鼠技術(shù)來設(shè)計(jì)微微鼠，在實(shí)踐中則會發(fā)現(xiàn)如下問題:
(I)基于輪式的微微鼠只能被動的適應(yīng)迷宮地面的打滑程度，隨著微微鼠速度的提高，其打滑概率也極大增加，導(dǎo)致求解迷宮失敗。
[0007](2)由于求解迷宮數(shù)目的大量增加，原有的微電腦鼠求解迷宮技術(shù)無法求解現(xiàn)有的復(fù)雜迷宮。
[0008](3)由于微微鼠尺寸的大幅減少，如果微微鼠采用圖1中的六組傳感器技術(shù)探測迷宮，經(jīng)常出現(xiàn)傳感器相互干擾的狀況，導(dǎo)致其讀取迷宮信息失敗。
[0009](4)由于微電腦鼠伺服系統(tǒng)采用的都是比較低級的算法，使得微微鼠在迷宮當(dāng)中的導(dǎo)航一般都要花費(fèi)較長的時間，這使得在真正的大賽中無法取勝。
[0010](5)由于迷宮擋墻尺寸的減少，使得微微鼠單格運(yùn)行的距離減少，微微鼠頻繁的剎車和啟動加重了單片機(jī)的工作量，單一的單片機(jī)無法滿足微微鼠快速啟動和停車的要求。
[0011](6)對于兩輪驅(qū)動的微微鼠來說一般要求驅(qū)動其運(yùn)動的兩個電機(jī)PffM控制信號要同步，受計(jì)算能力的限制單一單片機(jī)伺服系統(tǒng)很難滿足這一條件，微微鼠在直道上行駛時不能準(zhǔn)確的行走在中線上，在高速導(dǎo)航時很容易撞到迷宮擋墻，導(dǎo)致任務(wù)失敗。
[0012](7)由于受單片機(jī)容量影響，現(xiàn)有的微微鼠基本上都只有兩個動力驅(qū)動輪，采用兩輪差速方式行駛，使得系統(tǒng)對兩軸的伺服要求較高，特別是直線導(dǎo)航時，要求速度和加速度要追求嚴(yán)格的一致，否則直線導(dǎo)航將會失敗，導(dǎo)致微微鼠出現(xiàn)撞墻的現(xiàn)象發(fā)生；
(8)兩輪微微鼠系統(tǒng)在加速時由于重心后移，使得老鼠前部輕飄，即使在良好的路面上微微鼠也會打滑，有可能導(dǎo)致撞墻的現(xiàn)象出現(xiàn)，不利于高速微微鼠的發(fā)展。
[0013](9)兩輪微微鼠系統(tǒng)在正常行駛時如果設(shè)計(jì)不當(dāng)造成重心前偏，將導(dǎo)致驅(qū)動輪上承受的正壓力減小，這時微微鼠系統(tǒng)更加容易打滑，也更容易走偏，導(dǎo)致導(dǎo)航失敗。
[0014](10)兩輪微微鼠系統(tǒng)在正常行駛時如果設(shè)計(jì)不當(dāng)造成重心側(cè)偏將導(dǎo)致兩個驅(qū)動輪承受的正壓力不同，在快速啟動時兩輪打滑程度不一致，瞬間就偏離軌跡，轉(zhuǎn)彎時，其中正壓力小的輪子可能打滑，導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎困難。
[0015](11)由于采用兩個動力輪驅(qū)動，為了滿足復(fù)雜狀態(tài)下的加速和減速，使得單個驅(qū)動電機(jī)的功率較大，不僅占用的空間較大，而且有時候在一些相對需求能量較低的狀態(tài)下造成“大馬拉小車”的現(xiàn)象出現(xiàn)，不利于微微鼠本體微型化發(fā)展和微微鼠系統(tǒng)能源的節(jié)省。
[0016](12)如果采用前驅(qū)+后驅(qū)的全時四驅(qū)，雖然動態(tài)性能較好，但是全時四驅(qū)顧名思義隨時隨地都保持四驅(qū)狀態(tài)，但是其耗能較高，而且電機(jī)沒有工作在最優(yōu)狀態(tài)。
[0017](13)如果采用前驅(qū)+后驅(qū)的分時四驅(qū)，無論是采用前驅(qū)或者是后驅(qū)時都具有一定的弱點(diǎn)，轉(zhuǎn)彎角度不是過大，就是不夠，轉(zhuǎn)彎動態(tài)性能較差；
(13)如果采用中驅(qū)+后驅(qū)的四輪驅(qū)動方式，通過釋放后驅(qū)兩輪采用中驅(qū)兩輪轉(zhuǎn)彎，雖然微微鼠轉(zhuǎn)彎性能有所提高，電機(jī)的效率也得到一定優(yōu)化，但是在高速行駛時會造成重心后偏，需要軟件對此進(jìn)行保護(hù)。
[0018](14)無論是兩輪驅(qū)動或者是四輪驅(qū)動，遇到迷宮接縫處具有一定的高度差時，動態(tài)性能都會收到嚴(yán)重影響。
[0019]微微鼠求解迷宮是國際新興的一門技術(shù)，由于微微鼠技術(shù)的難度較高以及迷宮設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，導(dǎo)致國內(nèi)還沒有研發(fā)此機(jī)器人的單位。因此，需要設(shè)計(jì)一種滿足初級者學(xué)習(xí)微微鼠求解迷宮的全數(shù)字導(dǎo)航伺服控制器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種雙核高速六輪全數(shù)字導(dǎo)航伺服控制器，以解決微微鼠在導(dǎo)航過程中打滑、傳感器相互干擾、處理時間慢等問題。
[0021]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:為了提高運(yùn)算速度，保證六輪微微鼠系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本發(fā)明在基于STM32F407的控制器中引入FPGA，形成基于STM32F407+FPGA的全新七軸直流伺服控制器，此控制器充分考慮電池在這個系統(tǒng)的作用，把控制系統(tǒng)中工作量最大的七軸直流電機(jī)同步伺服系統(tǒng)(六軸微微鼠行走伺服系統(tǒng)+單軸真空抽吸電機(jī)伺服控制)由FPGA處理，充分發(fā)揮FPGA數(shù)據(jù)處理速度較快的特點(diǎn)，而人機(jī)界面、迷宮探知、迷宮存儲、加速度、速度和位置數(shù)據(jù)存儲、I/o控制等功能交給STM32F407完成，這樣就實(shí)現(xiàn)了STM32F407與FPGA的分工，同時二者之間也可以進(jìn)行通訊，實(shí)時進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和調(diào)用。
[0022]本發(fā)明采用的有益效果是:1:在運(yùn)動過程中，充分考慮了電池在這個系統(tǒng)中的作用，基于STM32F407+FPGA雙核控制器時刻都在對微微鼠的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和運(yùn)算，通過電流傳感器C1~C6實(shí)時對電機(jī)的電流可以進(jìn)行采集，從根本上避免了大電流的產(chǎn)生，所以解決了大電流對鋰離子電池的沖擊，避免了由于大電流放電而引起的鋰離子電池過度老化現(xiàn)象的發(fā)生。
[0023]2:為了進(jìn)一步提高四輪微微鼠系統(tǒng)的穩(wěn)定性和行駛能力，并兼顧兩輪中置轉(zhuǎn)向的優(yōu)點(diǎn)，并保證微微鼠的重心位置有利于各種運(yùn)動，本發(fā)明采用六輪驅(qū)動結(jié)構(gòu):中置驅(qū)動的功率較大，后置和前置驅(qū)動的四個個電機(jī)功率較小，只有在動力需求較高時才啟動，起到助力作用。由于采用六輪驅(qū)動技術(shù)，微微鼠前后中六個動力輪都有動力，可按迷宮地面和周圍環(huán)境狀態(tài)不同而將需求扭矩按不同比例分布在前后所有的輪子上，以提高微微鼠適應(yīng)復(fù)雜迷宮的能力。
[0024]3:根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)兩驅(qū)、四驅(qū)和六驅(qū)的功能。在正常行駛環(huán)境下，微微鼠一般會采用釋放前后四輪，采用中置兩輪驅(qū)動的方式；而一旦需要稍微提速，此時的加速度較小，STM32407會根據(jù)加速度大小并立即將微微鼠需求扭矩分配給后置兩個助力驅(qū)動輪，同時FPGA自動電機(jī)M的伺服控制，微微鼠系統(tǒng)自然切換到四輪驅(qū)動狀態(tài)。而一旦需要快速提速或者是地面灰塵較多時，STM32407會根據(jù)加速度大小并立即將微微鼠需求扭矩分配給前后置四個助力驅(qū)動輪，同時FPGA改變電機(jī)M的伺服控制，微微鼠系統(tǒng)自然切換到六輪驅(qū)動狀態(tài)，不僅滿足其動力需求，而且還增加了其平衡性，增強(qiáng)了微微鼠的附著力和操控性。
[0025]4:由于采用多輪驅(qū)動的復(fù)合驅(qū)動方式，當(dāng)需要加速行駛時，把動力分配到四個或者是六個電機(jī)，一旦一個動力輪由于地面、機(jī)械結(jié)構(gòu)等造成暫時離開地面，STM32407可以重新分配扭矩，把更多的扭矩分配在未失速的驅(qū)動輪上，使系統(tǒng)迅速脫離不穩(wěn)定狀態(tài)，重新回到四軸動力或者是六軸動力平衡狀態(tài)，使得六輪微微鼠具有更好的直線導(dǎo)航功能。
[0026]5:微微鼠轉(zhuǎn)向時，為了保證旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，采用中置的兩驅(qū)動輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，并釋放前后置的四個助力驅(qū)動輪，并利用方向傳感器D1、陀螺儀G1、加速度計(jì)Al實(shí)時測量微微鼠的瞬時角度、角速度和加速度，為微微鼠精確轉(zhuǎn)彎提供反饋。
[0027]7:多輪驅(qū)動方式下微微鼠系統(tǒng)在正常行駛時如果設(shè)計(jì)不當(dāng)造成重心偏移，將導(dǎo)致一側(cè)驅(qū)動輪上承受的正壓力減小，STM32F407會自動調(diào)整這一側(cè)的動力分配，使系統(tǒng)處于一種新的平衡狀態(tài)，防止微微鼠打滑。
[0028]8:在微微鼠導(dǎo)航過程中，控制器實(shí)時對其行走速度、地面等狀況進(jìn)行檢測，并通過調(diào)節(jié)電機(jī)M的伺服控制來有效調(diào)節(jié)真空吸盤對地面的吸附力，增加了微微鼠與地面的摩擦系數(shù)，徹底消除了微微鼠在導(dǎo)航時打滑現(xiàn)象的發(fā)生。
[0029]9、在此微微鼠系統(tǒng)引入了方向傳感器D1、陀螺儀Gl和加速度計(jì)Al，可以精確測量出微微鼠運(yùn)動時的動態(tài)參數(shù)，方向傳感器Dl、陀螺儀Gl和加速度計(jì)Al的加入可以實(shí)現(xiàn)微微鼠速度大小和方向的獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)全程導(dǎo)航和二次補(bǔ)償，有利于提高微微鼠的穩(wěn)定性和動態(tài)性能。
[0030]10:由FPGA處理微微鼠的七只直流電機(jī)的伺服控制，充分發(fā)FPGA處理數(shù)據(jù)較快方面的特長，使得控制比較簡單，大大提高了運(yùn)算速度，解決了單片機(jī)軟件運(yùn)行較慢的瓶頸，縮短了開發(fā)周期短，并且程序可移植能力強(qiáng)。<